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同学们好

前面几节课我们学习了土石坝的

特点、断面及坝体的分区组成

我们知道坝体各个分区的功能不同

其要求也不同

那么

具体的每个分区应该选用什么样的土石料

以及如何确定其设计标准呢

这就是本节课我们要学习的主要内容

土石坝由土石料填筑而成

土石料无论是细粒的土

还是粗粒的堆石

都是散粒体材料

从广义上来说均属于土的范畴

其工程问题属于土力学问题

首先我们简要回顾一下

土的一些基本性质

我们知道

土不同于混凝土材料

其最大的特点为碎散性

自然变异性、三相性

不同区域、不同土层深度

不同状态的土

其物理力学性质差异很大

土由固体土颗粒、孔隙中的水

和空气三部分组成

土颗粒的成分、粒径及其分布

孔隙体积占比的大小

以及孔隙中被水填充的程度等

均影响土的物理力学性质

土颗粒的粒径分布特征

用如图所示的粒径级配曲线表示

反映出不同粒径以下的

土颗粒质量累积占比

根据粒径累积曲线

可以计算土体的特征粒径

由此计算其不均匀系数Cu及曲率系数Cc

分别反映土体级配的不均匀性和连续性

并通过Cu和Cc对土体级配进行判定

分为级配良好和级配不良的土

一般来说

级配良好的土

粒径大小连续且不均一

因此小颗粒可以进入大颗粒的孔隙之中

使得孔隙被细小土颗粒充填

土体整体更加密实

强度和压缩模量更高

其工程性能更好

而级配不良的土

或者土颗粒尺寸过于均一

或者缺少某些粒径的粒组

使得粗细颗粒的充填效果降低

土的工程性能较差

反映土体工程特性的一些指标有多个方面

密度方面

包括天然密度、干密度

容重、浮容重等指标

密实程度可用最大干密度

压实度、相对密度等指标反映

反映土的击实特性

对于粘性土

对应于最大干密度和最优含水量

孔隙比、孔隙率反映土体中孔隙体积的多少

含水量、饱和度表示孔隙中含水的多少

土体的渗透性

用渗透系数k表示

压缩性可采用侧限压缩模量和变形模量

抗剪强度指标表示为c、φ

以上这些反映土体工程性质的指标

决定了土石坝的渗透、稳定和变形安全

在进行土石坝材料设计时

需针对不同分区具体材料

提出具体的设计标准

原则上来说

土石坝设计中

对土石料的基本要求有三个方面

1、具有足够的抗剪强度

满足坝坡抗滑稳定要求

2、具有满足要求的渗透性能

对于防渗体

要求渗透性要小

对于排水体

要求渗透性要大

对于反滤层和过渡层

要求材料具有弱渗透性

3、土石料的总体变形量要小

且具有适应不均匀变形的能力

以下详细介绍不同分区土石料的设计标准

1、土质防渗体材料

碾压式土石坝设计规范规定

对于土质防渗体材料的要求为

渗透系数

通常需低于10-5~10-6cm/s

对于均质坝或低坝可降低至10-4cm/s

抗渗稳定性

要求土料的级配良好

抗渗透破坏能力较强

且有一定的塑性和自愈能力

颗粒级配方面

要求小于0.005mm的粘粒含量不宜大于40%

最大粒径不超过铺土厚度的2/3

级配曲线平缓连续

不均匀系数Cu>5

含水量

要求土料的含水量接近最优含水量

在Wop±（2%~3%）之间

便于压实

接近最大干密度

有机质和可溶盐含量不能过多

有机质含量

对于均质坝不大于5%

心墙和斜墙坝不大于2%

可溶盐含量不大于3%

抗剪强度

要求上下游坝坡稳定满足要求

压缩性

要求防渗体变形量不宜过大

而且考虑变形协调

避免坝体开裂

与堆石料的压缩性差异不宜过大

对于防渗土料

工程中以往常采用粘性土

其防渗性能较好

但是强度低

变形量大

易引起不均匀变形

产生坝体裂缝

为减轻不均匀变形的不利影响

近年来建设的多座高土石坝

采用在粘性土中人工掺入砾石的方式

提高防渗料的抗剪强度

降低其压缩性

同时保证其渗透性不明显降低

掺入大块径的砾石后

<0.075mm的细粒含量不小于15%~20%

其渗透系数k<10-5cm/s是可以保证的

掺入砾石的含量一般不宜超过50%

避免砾石形成完全骨架作用

也使得坝料易于碾压密实

另外

掺入砾石后

坝料的可塑性和抗拉能力降低

特别是在心墙与岸坡接触部位

易产生大的剪切错动变形

需设置高塑性接触粘土

上述是对土质防渗体材料物理力学性能的要求

由于防渗体在坝体中的地位是第一重要的

因此对于防渗体材料的性能必须严格要求

并非任意土料都可以做防渗体

不宜做防渗体的土料有以下几种

塑性指数Ip>20和液限>40%的粘土

由于压实困难

不宜做防渗体

膨胀土、湿陷性黄土遇水后

体积发生过大变化

影响防渗体的安全运行

不宜做防渗体

分散性粘土

易被水流分散溶解而带走

引起土颗粒的流失

以及冻土易产生冻胀、融陷等过大变形

都不宜作为防渗体材料

2、反滤层和过渡层

反滤层和过渡层布置

在防渗体的上、下游两侧

如图所示

糯扎渡心墙堆石坝中

在中央心墙上、下游侧

各设置两层反滤料和一层过渡料

其中

反滤层的作用在于滤土排水

防止发生细颗粒的流失

且渗透水流能顺利排出

要求反滤料级配良好

粒径<0.075mm的细颗粒含量不超过5%

一般采用细沙作为反滤料

过渡层的作用则在于

使得心墙和堆石料间的变形协调

避免过大不均匀变形造成心墙上、下游开裂

一般采用粒径适中的碎石作为过渡料

反滤料和过渡料尽量采用天然料筛选

以降低造价

过渡料可由大颗粒块石破碎生产得到

如图所示为

糯扎渡心墙堆石坝填筑坝面场景

中央部位为掺砾土心墙

依次向上、下游分别为

反滤料Ⅰ、反滤料Ⅱ、过渡料和堆石料

在心墙料和下部混凝土垫层间

还设置了接触粘土

以适应接触部位的剪切错动变形

3、坝壳料

坝壳料的主要作用在于

维持坝体和防渗体的稳定

常用的材料为如图所示的大块径的堆石料

其抗剪强度高

压缩性小

利于增强坝坡稳定及减少坝体变形

坝坡可以陡一些

减少坝体填筑方量

采用堆石料时

需考虑两方面变形对坝体的影响

包括填筑后短期内的瞬时变形

以及由于流变、浸水湿化

及颗粒破碎引起的后期变形

堆石料在坝体中占据的体积最大

因此

需重视其他建筑物开挖料

及软岩风化料的充分利用

以降低造价

如图所示的糯扎渡心墙堆石坝

除充分利用溢洪道

地下厂房的开挖料直接上坝以外

在上游堆石体的下部

还填筑了478万方的软岩料

作为Ⅱ区堆石料

使得坝料的利用率大大提高

显著降低了大坝造价

但需注意的是

开挖料、软岩料的利用必须建立在

对材料特性和结构安全性的

深入分析论证基础之上

当坝址区缺少满足质量

和储量要求的堆石料时

但是存在合适的如图所示的

砂砾石、卵石、石渣等材料时

也可以用来筑坝

称为砂砾石坝、石渣坝

这种材料具有中等的压缩性和抗剪强度

变形量相对堆石来说要大

坝坡需放缓

其渗透性也属中等

坝体设计时需注意设置坝内排水

降低坝体内浸润线和孔隙水压力

增强坝体的安全性

以上介绍土石坝坝体

主要分区所采用的

土石料的材料种类及要求

这些材料堆填到坝面时

通过碾压将其压实

还需有填筑标准来控制

对于粘性土防渗体

工程上通常采用压实度

和含水率两个指标控制

对于压实度

要求1、2级高坝的压实度

达到98%~100%

3级及以下的土石坝其压实度

达到96%~98%

为提高粘性土的压实性

要求其含水率为

Wop±（2%~3%）范围之内

对于堆石料

通常按设计孔隙率来控制

一般为18%~25%

早期的土石坝由于

施工碾压能力的限制

设计孔隙率较高

有的导致后期变形量较大

影响了大坝的安全运行

近年来随着碾压能力的提高

很多土石坝进一步降低了设计孔隙率

有的达到18%以下

且有进一步降低的趋势

堆石料在实际碾压施工时

需要同时控制碾压参数

包括采用的碾压设备、行车速度

碾压遍数、铺土厚度、加水量等

对于高土石坝

一般需开展现场碾压试验

以确定具体的施工碾压参数

保证堆石料碾压的质量

对于无粘性土

工程上一般按相对密度Dr控制

砂砾石料一般要求其相对密度大于0.75

反滤料相对Dr大于0.7

以上是各分区坝料的要求及其填筑标准

值得强调的是

坝料设计标准的拟定

需结合坝体渗流、稳定

和应力变形分析综合确定

这些将在后面的课程中详述